Study of the Higgs boson production in association with two top quarks and its subsequent decay to a bbar pair with the CMS detector at the CERN LHC

Abstract

In this thesis, a novel approach for the measurement of the associated production of a Higgs boson with a top quark-antiquark pair in the dileptonic channel, where the Higgs boson decays hadronically to a b quark-antiquark pair (ttH, H → bb), is presented. A new method is introduced, which achieves the kinematic reconstruction of the Higgs invariant mass from its decay products. The mass reconstruction is performed by analyticallysolving the tt̄H dileptonic decay system of equations while scanning the mtop and mW mass plane searching for solutions. The analysis uses dilepton events in the ee, μμ and eμ channels. The events are separated into a signal and a control region, based on the number of b-tagged jets of each event. The main background contribution, which comes from tt̄ events, is predicted in a data-driven manner making use of the Tag Rate Function method. The measurement is performed utilizing L = 137.2 fb−1 of pp collision data recorded at a center-of-mass energy of sqrt(s) = 13 TeV by the CMS experiment at the CERN LHC. The resulting observed (expected) significance corresponds to 0.34 (1.35) standard deviations.

Η τρέχουσα διατριβή, αφορά την μελέτη της διεργασίας ttH, H → bb με μια νέα μέθοδο η οποία ανακατασκευάσει τη μάζα του μποζόνιου Higgs με σάρωση του δισδιάστατου επίπεδου των μαζών των top και W και τον υπολογισμό του πιο πιθανού σημείου αναφορικά με τις συναρτήσεις πυκνότητας πιθανότητας για τις αλληλεπιδράσεις πρωτονίου-πρωτονίου. Η τελική κατάσταση του συστήματος όταν τα t κουάρκς διασπώνται λεπτονικά, αποτελείται από δύο λεπτόνια, τέσσερις αδρονικούς πίδακες, και ελλείπουσα εγκάρσια ενέργεια. Το κύριο υπόβαθρο το οποίο προέρχεται από γεγονότα ζεύγους t και t̄ σωματιδίων προσδιορίζεται με μια νέα μέθοδο από τα δεδομένα. Προκειμένου να ενισχυθεί ο διαχωρισμός σήματος και υποβάθρου εφαρμόζεται ένα σύνολο βελτιστοποιημένων κριτηρίων προεπιλογής, που αποτελούνται από διάφορα κινηματικά και τοπολογικά κριτήρια. Εκτός από αυτό, χωρίζουμε τα γεγονότα μας σε δύο περιοχές, μια ελέγχου και μια σήματος με βάση την πολλαπλότητα τωναδρονικών πιδάκων που έχουν χαρακτηριστεί ως b−tagged. Η περιοχή ελέγχου αποτελείται από γεγονότα με ακριβώς 2 b − tagged αδρονικούς πίδακες ενώ στην περιοχή σήματος απαιτούνται γεγονότα με τουλάχιστον 4 b − tagged αδρονικούς πίδακες. Και στις δύο περιοχές το κύριο υπόβαθρο προέρχεται από τη διαδικασία tt̄ + jets. Ελέγχεται εκτενώς η ορθότητα και η απόδοση τόσο της μεθόδου ανακατασκευής της αναλλοίωτης μάζας του Higgs όσο και της μεθόδου πρόβλεψης του υποβάθρου από τα δεδομένα πραγματοποιώντας διάφορες μελέτες τόσο σε επίπεδο γεννήτορα καθώς και με γεγονότα τα οποία χαρακτηρίζονται από πλήρη προσομοίωση του ανιχνευτή έτσι ώστε να επαληθεύσουμε τις νέες μεθόδους που εισάγαμε. Σύγκριση των αποτελεσμάτων της εφαρμογής της μεθόδου έγινε μεταξύ δεδομένων και προσομοίωσης όπου και παρατηρήθηκε και επιβεβαιώθηκε ότι δεν υπήρξε ένδειξη συστηματικής διαφοράς μεταξύ των δεδομένων και προσομοίωσης. Η μέτρηση της σημαντικότητας του σήματος πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας δεδομένα σύγκρουσης pp από τον LHC, τα οποία συλλέγονται με την βοήθεια του πειράματος CM S, συνολικής φωτεινότητας L = 137.2 fb −1 καταγεγραμμένα σε ενέργεια κέντρου μάζας sqrt(s) = 13 TeV. Η προκύπτουσα παρατηρούμενη (αναμενόμενη) σημαντικότητα αντιστοιχεί σε 0.34(1.35) τυπικές αποκλίσεις.